Методы обеспечения доступа к объектно-ориентированным базам данных на основе стандартов реляционных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат физико-математических наук Мутушев, Дмитрий Михайлович

• Мутушев, Дмитрий Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мутушев, Дмитрий Михайлович

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ООБД И ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕХОДА К НОВОЙ КОНЦЕПЦИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДАННЫХ.

2.1 Основные понятия объектно-ориентированного подхода.

2.2 Развитие объектно-ориентированных баз данных.

2.3 Объектная модель стандарта ошую.

2.4 Основные принципы работы с реляционными СУБД.

2.5 Взаимосвязь систем, основанных на реляционной и объектной моделях.

2.6 Практические варианты создания переходных приложений.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СВОЙСТВ В СУБД "КОМПАС-97".

3.1 Объектно-ориентированная модель данных системы "Компас-97".

3.1.1 Алгебраическая модель.

3.1.2 Понятийная модель данных.

3.2 Реализация свойств объектной структуры данных и связанных с ней операторов ЯМД.

3.2.1 Реализация структуры наследования.

3.2.2 Принципы построения алгоритмов модификации сложных объектов в ООБД.

3.2.3 Спецификации языка манипулирования данными.

3.2.4 Синтаксические расширения в ЯМД Компас.

3.3 Реализация механизма поведения объектов.

3.4 Эмуляция реляционных свойств в ООБД.

4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СТАНДАРТИЗИРОВАННОГО ДОСТУПА К ООБД.

4.1 Использование ООБД в перспективных разработках.

4.2 Модуль доступа к ООБД в составе Компас-97.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы обеспечения доступа к объектно-ориентированным базам данных на основе стандартов реляционных систем»

В восьмидесятых годах применительно к языкам программирования (ЯП) в технических словарях стало появляться слово "сохраняемость" (persistence). Одной фразой, сохраняемость - это способность данных переживать во времени исполнение программ. В девяностых годах сохраняемость стала одним из лозунгов коммерчески продвигаемых объектных баз данных. Понятие сохраняемости стало одним из их важнейших аспектов благодаря фундаментальной разнице между объектными и традиционными базами данных - способу, которым они сочетаются с языком программирования.

Существенной чертой современных программных систем является их большая и все возрастающая сложность. Сложность эта порождается в первую очередь свойствами реальных промышленных или организационных систем, которые находят свое отражение в конструируемых для них моделях. Как правило, и природные и искусственные системы обладают структурой, которая в той или иной степени весьма часто может рассматриваться как иерархическая.

В системах можно обнаружить много разных иерархий. В самолете, например, можно выделить системы силовой установки, управления полетом и т.д. Подобное разбиение дает структурную иерархию вида "это - часть того". С другой стороны, такое устройство, как реактивный двигатель - это просто тип двигателя, наделенный свойствами, отличающими его от других двигателей. Исходя из этого, можно выделить типовую и структурную иерархии, называемые, соответственно, иерархией классов и иерархией объектов. Структуры классов и объектов не являются независимыми: каждый объект представляет определенный класс.

На этапе моделирования прикладная область расщепляется на множество автономных действующих лиц, которые взаимодействуют друг с другом. Каждый объект модели обладает своим собственным поведением, имитирующим поведение реального объекта. При этом каждый объект является экземпляром одного из классов, которые, как указывалось, образуют иерархию.

Благодаря этим особенностям, делающим возможным изучение отдельных объектов как обособленно, так и в связи со своим окружением, весьма перспективным направлением является разработка систем информационного моделирования, позволяющих описывать предметную сферу в виде совокупности объектов. Так, в начале 90-х годов стремительное развитие получили системы управления объектно-ориентированными базами данных (ООБД), которые в свою очередь обязаны популярностью объектно-ориентированным языкам программирования (ООЯП), возникшим в конце прошлого десятилетия [24, 25]

С момента первого появления ООЯП возникла и потребность в средствах обеспечения сохраняемости информационных единиц, используемых в программах, - объектов. Наиболее естественным оказалось применение ООБД, что и обусловило их быстро растущую популярность. Но вместе с тем, множество продуктов, связанных с технологиями баз данных, было в свое время создано для реляционных (в основном) баз данных, которые ни в коей мере не утратили преимуществ во многих прикладных областях, где моделирование данных не требует сложных объектно-ориентированных структур.

При программировании интерфейсов традиционных баз данных, в исходные тексты на ЯП вставляются запросы на языках баз данных для доступа и модификации. Данные в базах изолируются от данных программ. Можно считать, что традиционное программирование следует следующим особенностям:

1. База данных имеет свою собственную модель данных и язык программирования свою собственную систему типов.

2. В базе данных содержатся только сохраняемые данные, а в программах только временные - хранящие информацию только во время работы программы.

3. Операторы ЯП в программах не способны модифицировать данные в базе и связь между ними осуществляется только через разовые транзакции чтения и записи.

Для ООБД правила кардинальным образом меняются [42]:

1. База данных и язык программирования имеют одну и ту же модель данных и систему типов.

2. Любые данные могут быть как сохраняемыми, так и временными.

3. Программа единообразно может работать и с сохраняемыми, и с временными данными.

Известно, что взаимодействие программы с СУБД, независимо от избранной модели данных и архитектуры, так или иначе приводит к вызовам процедур или функций, направляемых от программы - возможно через различные оболочки - к ядру СУБД. В эпоху первоначального развития баз данных каждая из систем реализовывала свой собственный протокол взаимодействия, пытаясь в качестве еще одного аргумента в конкурентной борьбе ограничить совместимость продуктов, используемых клиентами с данной СУБД, для работы с альтернативными. Однако по мере роста числа потребителей баз данных и требований по предоставлению информации из все более широкого круга источников, проблема совместимости стала вынуждать пользователей переходить к системам, в формате которых хранилось бы как можно большее количество интересующей информации, охватывающей как можно больше баз и банков данных.

Тем самым на передний план вышла задача стандартизации протокола общения с СУБД - как на уровне мнемоники языка запросов, так и на уровне физической реализации передачи данных процедур и функций. Одним из основных требований, предъявляемых к информационной системе в наши дни, стало свойство открытости - возможность взаимодействия с любыми программными продуктами, ориентированными не на данную конкретную СУБД, а на некоторый стандартный протокол, поддерживающий обобщенные принципы взаимодействия [11] . В настоящей работе представлен некоторый метод решения данной задачи.

Наблюдение за тенденциями развития и усложнения информационного пространства и соответствующего развития и усложнения информационных технологий приводит к мысли о необходимости постоянного расширения и обогащения действующих стандартов и разработке новых, удовлетворяющих современным требованиям. С другой стороны, этим диктуется актуальность задачи разработки систем, включающих в себя все возможности ранее действующих СУБД и адаптируемых к появляющимся стандартам.

В настоящей работе в качестве отправной точки исследований были использованы разработки, проводимые в ВЦ РАН по применению сетевой модели данных при построении информационных систем (ИС) на базе СУБД Компас [ 8 ] . Это способствовало решению автором одной из проблем, с которыми сталкиваются разработчики ИС во время проектирования информационных моделей на основе объектно-ориентированного подхода - отражения взаимосвязей объектов в иерархической структуре содержащих их систем [4 9]. Сетевые СУБД и, соответственно, СУБД Компас в качестве одного из основных средств определения структур данных имеют аппарат связывания информационных единиц в базе данных Это во многом соответствует концепции межобъектных связей в ООБД и было использовано в проводимых экспериментах по поддержке элементов архитектуры ООБД.

Целью экспериментов в настоящей работе было решение задачи по выяснению возможности реализации некоторых черт ООБД, отличающих их от всех остальных действующих систем. В то же время ставилась задача совмещения новых свойств с возможностями действующих СУБД, в том числе с использованием стандартных протоколов для взаимодействия с прикладными программами.

Проблемы, имеющие место при применении объектно-ориентированного подхода в разработке ИС, возникают с обеих сторон взаимодействия ООБД с широко распространенными повсеместно используемыми программными продуктами [45]. При попытках моделирования данных, имеющих сложную структуру и тяготеющих к методикам проектирования, основывающимся на концепции ООЯП, оказывается затруднительно адекватно отобразить предметную область с помощью имеющихся не объектно-ориентированных СУБД для долговременного хранения. При размещении же информации в ООБД, специализированные программы, написанные на ООЯП, имеют, конечно, много точек соответствия с ними, но популярные продукты общего назначения оказываются неприменимы для работы с такими ИС.

В данной работе излагаются принципы построения системы управления объектно-ориентированными базами данных, которые были бы совместимы с существующими ЯП в отношении структур представления управляемых данных и давали бы возможности для интеграции их в ИС, действующие на основе концепции открытых систем.

В разделе 2 настоящей работы приводится обзор основных понятий объектно-ориентированного подхода, поддержка которых представляется актуальной; затрагиваются некоторые проблемы развития СУБД, основывающихся на этом подходе; описываются современные стандарты, связанные с СУБД, как для действующих реляционных, так и для создаваемых объектных (SQL и ODMG); анализируются различия концепций, которыми они оперируют; дается обзор разработок, направленных на обеспечение их взаимодействия, и разбираются варианты их совмещения.

Разработке системы управления ООБД Компас-97, решению вопросов обеспечения открытости системы посвящен третий раздел. В этом разделе описывается используемая модель данных для сравнения с моделью ODMG; сообщается о результатах исследования возможностей реализации основных свойств ООБД - сложной структуры объектов и инкапсуляции их поведения; рассказывается о языке запросов системы Компас-97, обеспечивающем совместимость с SQL, и его расширении по отношению к OQL ODMG -операторах, позволяющих манипулировать структурой объектов; излагаются методы обеспечения доступа к ООБД на основе стандартов открытых систем. В четвертом разделе описывается реализация системы, разработанной в соответствии с принципами, изложенными в разделе 3, и приводятся примеры использования ООБД. В заключении перечисляются результаты, полученные в настоящей работе.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Мутушев, Дмитрий Михайлович

5. Заключение

Одной из насущных задач теории информационного моделирования является обеспечение совместимости моделей данных и приложений, основанных на различных стандартах. В частности, упоминая "открытые" СУБД, дающие возможность доступа к данным с использованием типового набора функций и языковых конструкций, обычно имеют в виду следующие критерии: •предоставление функционального интерфейса ODBC; •поддержка языка запросов, основанного на спецификациях SQL-92.

В данной работе изложено решение задачи теоретического обоснования, разработки и реализации ООБД Компас, удовлетворяющей концепции открытых систем. Полученные результаты перечислены ниже.

1.Создан эффективный механизм построения объектов на основе иерархии наследования, позволяющий использовать полиморфные свойства таких объектов и осуществлять миграцию объектов по классам, - цепочки наследования.

2. Развит ЯМД, удовлетворяющий синтаксису SQL, и в то же время учитывающий особенности объектной модели данных стандарта ODMG и OQL. Введены операторы, позволяющие охватить возможные модификации структурной иерархии объектов в базе данных и иерархии наследования. Предложены синтаксические конструкции, обеспечивающие возможность выделения подмножеств объектов, удовлетворяющих условиям, вытекающих из свойств, определяемых имеющейся иерархией наследования.

3.Реализован ODBC-драйвер Компас, позволяющий использовать объектно-ориентированные данные из распространенных приложений, ориентированных на реляционные базы данных, за счет эмуляции реляционных свойств в ODBC-функциях.

4.Реализован модуль доступа к базам данных Компас, позволяющий вести автономную работу с данными и проектировать запросы и пакеты для последующего использования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мутушев, Дмитрий Михайлович, 1998 год

1. Язык описания данных КОДАСИЛ / Пер. с англ. под ред. М.Р. Когаловского и Г.К. Столярова. -М.: Статистика, 1981.-183 с.

2. Олле Т.В. Предложения КОДАСИЛ по управлению базами данных / Пер. с англ. В.И. Филиппова и С.М. Круговой. -М. : Финансы и статистика, 1981.-286 е., ил.

3. Филиппов В.И. Обобщенная модель данных и ее реализация. Программное обеспечение информационных систем. М.: Наука, 1989. -103 с.

4. Цаленко М.Ш. Моделирование семантики в базах данных.- М. : Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989. -288 с.

5. Кузнецов С.Д. Объектно-ориентированные базы данных: основные концепции, организация и управление. Львов, 23-27 сентября 1991.

6. Замулин A.B. Основные свойства современных языков программирования БД. Управляющие системы и машины, №7, 1991.

7. Филиппов В.И., Пржиялковский В.В., Шкотин A.B. Инструментальные средства информационного моделирования. Управляющие системы и машины, №7, 1991.

8. Полукеев O.A., Пржиялковский В.В., Тихомиров с.Е., Филиппов В.И. , Шкотин A.B. Многомашинная СУБД Компас. Вычислительный центр АН СССР, Москва, 1991.

9. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. Пер. с англ. -М.: Конкорд, 1992.-519 е., ил.

10. Кузнецов С.Д. Об основаниях ненавигационного языка запросов к объектно-ориентированным базам данных. ADBIS'93, Москва, Май 11-14, 1993, Институт Проблем Информатики РАН.

11. Ким Вон. Технология объектно-ориентированных баз данных. Открытые системы, №4, 1994.

12. Кодд Е. Ф. Реляционная модель данных для больших совместно используемых банков данных. СУБД, № 1, 1995.

13. Аткинсон М., Бансилон Ф., ДеВитт Д., Диттрих К., Майер Д., Здоник С. Манифест систем объектно-ориентированных баз данных. СУБД, № 4, 1995.

14. Мутушев Д.М., Филиппов В.И. Объектно-ориентированные базы данных. Программирование, №6, 1995, МАИК "Наука".

15. Калиниченко JI.А., Когаловский М.Р. Стандарты OMG: Язык определения интерфейсов IDL в архитектуре CORBA. СУБД, №2, 1996.

16. Вейд А. Стандарты объектных запросов. СУБД, № 4, 1996.

17. Вон Ким, Жорж Ф. Гарза, Брюс Грэхзм. Пути развития объектно-реляционных технологий баз данных. СУБД, № 4, 1996.

18. Филиппов В., Кузяков К. Опыт разработки распределенной библиотечной системы на основе Internet. "Индустрия программирования'96", Москва, 1996.

19. Кузнецов С.Д. Доступ к базам данных с использованием технологии WWW. СУБД, №5-6, 1996.

20. Булах Е. В. Средства доступа к базам данных в Internet и свободно доступная СУБД POSTGRES95. СУБД, №2, 1997.

21. Галатенко В., Гвоздев А. Типы и структуры данных в INFORMIX-Universal Server. СУБД, №3, 1997.

22. Пуха Ю. Объектные технологии построения распределенных информационных систем. СУБД, №3, 1997.

23. Codd E.F. A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks. Commun. ACM 13, №6, 1970, p. 377-387.

24. Goldberg A., Robson D. Smalltalk-80: The Language and Its Implementation. Reading, MA: Addison-Wesley, 1983.

25. Stroustrup B. The С++ Programming Language. Reading, MA: Addison-Wesley, 198 6.

26. Malcolm Atkinson, Francois Bancilhon, David DeWitt, Klaus Dittrich, David Maier, Stanley Zdonik. The Obj ect-Oriented Database System Manifesto. // 1st Int. Conf. Deductive and Object-Oriented Databases, Kyoto, Japan, Dec. 4-6, 1989.

27. Won Kim. Object-Oriented Databases: Definition and Research Directions. IEEE Trans. Data and Knowledge Eng.-2, №3.-1990.

28. D.J. McConalogue. Obj ect-Oriented Databases: How do They differ from the traditional, and what are the implifications for CAD? Research in Informatics. Techno-Data190.

29. Michael F. Kilian. A Note on Type Composition and Reusability. OOPS Messenger July 1991.

30. Microsoft Open Database Connectivity Software Development Kit, Programmer Reference, Version 1.0. Redmond, WA: Microsoft Corp., 1992.

31. Steve Ford, Jose A. Blakely and Thomas J. Bannon. Open 00DB: A Modular Object-Oriented DBMS. SIGMOD Record June 1993.

32. Marc Gemis, Jan Paredaens, Igne Thyssens, Jan Van den Byussche. GOOD: A Graph-Oriented Object Database System. SIGMOD Record June 1993.

33. Arthur M. Keller, Richard Jensen, Shailesh Agarwal. Persistence Software: Bridging Object-Oriented Programming and Relational Databases. SIGMOD Record June 1993.

34. Jose Meseguer and Xiaolei Qian. A Logical Semantics for Object-Oriented Databases. SIGMOD Record June 1993.

35. Stanley Y.W.Su, Herman X.Lam, Srinivasa Eddula, Javier Arroyo, Neeta Prasad, Ronghao Zhuang. 0SAM*.KBMS: An Object-oriented Knowledge Base Management System for Supporting Advanced Applications. SIGMOD Record June 1993.

36. X/Open Data Management Call Level Interface (CLI) Draft Preliminary Specification. Reading, UK: X/Open Ltd., 1993.

37. R.G.G.Cattell, T.Atwood, J.Duhl, G.Ferran, M.Loomis, and D.Wade. The Object Database Standard: ODMG-93. San Mateo, CA:Morgan Kaufmann, 1993.

38. Won Kim. Observations on the ODMG-93 Proposal. SIGMOD Record March 1994.

39. Object Database Management Group. Response to the March 1994 ODMG-93 Commentary. SIGMOD Record September 1994.

40. Jim Melton. Accomodating SQL3 and ODMG. X3H2-95-161/DBL:YOW-32, 15 April, 1995.http://www.j cc.com/sqlx3h295161.html

41. Wade Andrew. Deploying Production ODBMS Applications. ADBIS'95, Moscow June 27-30, 1995, Phasis Publishing House.

42. Francois Bancilhon. Those Persistent Objects. Object Currents #2, 1996, SIGS Publications, Inc., New York, NY, USA.4 3. North Ken. ODBC Branches Out. DBMS ODBC Special Report, April 1996, Miller Freeman, Inc.

43. Francois Bancilhon. Object, Relational, Object-Relational & Relational-Object. Object Currents #4, 1996, SIGS Publications, Inc., New York, NY, USA.

44. Reed Paul. Using ODBC to Access Nontabular Data. DBMS online Magazine #4, 1996, Miller Freeman, Inc.

45. Francois Bancilhon. ODMG and the ODMG-93 Standard. Object Currents #5, 1996, SIGS Publications, Inc., New York, NY, USA.

46. F. Kim. UniSQL's Next-Generation Object-Relational Database Management System. Object Currents #5, 1996, SIGS Publications, Inc., New York, NY, USA.

47. Drew Wade, ODMG-93 The Object Database Standard. Objectivity, Inc., 20-06-96.

48. David S. Linthicum. Objects Meet Data. DBMS online Magazine #9, 1996, Miller Freeman, Inc.

49. Jay Mellman. Object Databases on the Web. Web Techniques Magazine.http://www.webtechniques.com/features/sep96/mellman.shtml

50. Andrew Girow. Binary Relations Approach to building Object Database Model. Object Currents #11, 1996, SIGS Publications, Inc., New York, NY, USA.

51. ObjectStore OpenAccess. Object Design Products. http://www.odi.com/products/oa/openaccess.html

52. Andrew Girow. Limitations of Object Data Models. Object Currents #1, 1997, SIGS Publications, Inc., New York, NY, USA.

53. David S. Linthicum. Reevaluating Distributed Objects. DBMS online Magazine #1, 1997, Miller Freeman, Inc.

54. R.G.G. Cattell, Douglas K. Barry. The Object Database Standard: ODMG 2.0. 1997, Morgan Kaufmann Publishers, Inc.

55. Nelson H. King. Object DBMSs: Now or Never Will ODBMSs capitalize on new opportunities to manage Web and complex datatypes? DBMS and Internet Systems, 1997 Miller Freeman, Inc.

56. David Carlson. Object-Oriented Web Servers. Object Magazine #5, 1997, SIGS Publications, Inc.

57. POET Technical Reference White Paper. Why Use an ODBMS? A Comparison Between Relational and Object Oriented Databases for Object Oriented Application Development.http://www.poet.com/toovsre.htm

58. GemStone Systems, Inc. GemConnect.http://www.gemstone.com/products/s/gemconnect.html

59. Мутушев Д.м. Система доступа к БД с объектной модельюе,«и. ^

60. ЗАМЕНИ СХЕМУ 00; ОБЛАСТЬ ООАгеа;

61. ТИП Имя-собственное символ 20;

62. ЗАПИСЬ SysOOs: Регистратор имя-собственное;

63. ЗАПИСЬ Человек: Фамилия имя-собственное, Имя имя-собственное, Отчество имя-собственное, Возраст целое,

64. НАБОР Проживает <Адрес> О-к-О;

65. ЗАПИСЬ Учитель НАСЛЕДУЕТ Человек: Педстаж целое, Разряд целое,

66. НАБОР Преподает <Предмет> О-к-М, НАБОР Ведет <3анятие> О-к-М, НАБОР Руководит <Класс> О-к-О, Зарплата целое МЕТОД: \1. ПЕРЕМЕННАЯ 31 целое;1. ПЕРЕМЕННАЯ 32 целое;

67. PUT 31 = Учитель.Работает.Ставка1.PUT 32 = Разряд -2;1.PUT 31 =31 * 32;1.PUT Зарплата = 31

68. ЗАПИСЬ Администратор НАСЛЕДУЕТ Учитель: Пост имя-собственное, Надбавка действительное;

69. ЗАПИСЬ Ученик НАСЛЕДУЕТ Человек: Характеристика символ 60, Успеваемость действительное;

70. ЗАПИСЬ Здание: Улица имя-собственное, Дом целое, Корпус целое;

71. ЗАПИСЬ Школа НАСЛЕДУЕТ Здание: Номер целое,

72. Специализация имя-собственное, Ставка целое,

73. НАБОР Работает <Учитель> М-к-М,

74. НАБОР Служит <Администратор> О-к-М ВКЛЮЧЕНИЕ автоматически, НАБОР Классы <Класс> О-к-М, НАБОР Места <Кабинет> О-к-М, Фонд целое МЕТОД: \

75. PUT Фонд = SELECT SUM (Школа.Работает.Зарплата) FROM ШколаV

76. ОПЕРАЦИЯ Индексировать пустое: \

77. ПАРАМЕТР Коэффициент действительное; UPDATE Школа SET Ставка = Ставка * Коэффициент;

78. ОПЕРАЦИЯ Контингент целое.

79. ЗАПРОС Контингент = SELECT SUM (Школа. Классы. Численность) FROM Школа

80. ЗАПИСЬ Адрес НАСЛЕДУЕТ Здание: Квартира целое;

81. ЗАПИСЬ Класс: Какой целое, Параллель символ, Численность целое МЕТОД:

82. НАБОР Учится <Ученик> О-к-М ВКЛЮЧЕНИЕ автоматически, НАБОР Занимается <3анятие> О-к-М; \

83. ЗАПРОС Численность = SELECT СОШТ(Класс. Учится) FROM Класс

84. ЗАПИСЬ Предмет: Название имя-собственное, НАБОР Изучается <3андтие> О-к-М;

85. ЗАПИСЬ Кабинет: Номер целое,

86. НАБОР Занят <3анятие> О-к-М; ЗАПИСЬ Час:

87. День целое КОММЕНТАРИЙ 1.6*!, Начало время,

88. НАБОР Идет <3анятие> О-к-М;1. ЗАПИСЬ Занятие;